牛顿运动定律

牛顿运动定律物理定律01定律内容演绎验证定律特点适用条件目录03020405发展简史定律影响应用领域目录0706基本信息牛顿运动定律(Newton'slawsofmotion)包括牛顿第一运动定律、牛顿第二运动定律和牛顿第三运动定律三条定律，由艾萨克·牛顿在1687年于《自然哲学的数学原理》一书中总结提出。其中，第一定律说明了力的含义：力是改变物体运动状态的原因；第二定律指出了力的作用效果：力使物体获得加速度；第三定律揭示出力的本质：力是物体间的相互作用。牛顿运动定律中的各定律互相独立，且内在逻辑符合自洽一致性。其适用范围是经典力学范围，适用条件是质点、惯性参考系以及宏观、低速运动问题。牛顿运动定律阐释了牛顿力学的完整体系，阐述了经典力学中基本的运动规律，在各领域上应用广泛。定律内容定律内容牛顿运动定律包含以下三个定律：1、牛顿第一运动定律：在没有外力作用下孤立质点保持静止或做匀速直线运动；用公式表达为：，式中为合力，为速度，为时间。

2、牛顿第二运动定律：动量为的质点，在外力的作用下，其动量随时间的变化率同该质点所受的外力成正比，并与外力的方向相同；用公式表达为：。根据动量的定义，。若质点的质量不随时间变化（即），则质点运动的加速度的大小同作用在该质点上的外力的大小成正比，加速度的方向和外力的方向相同；用公式表达为：。

3、牛顿第三运动定律：相互作用的两个质点之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上；定律特点定律特点牛顿第一运动定律为后续定律准备了概念并定性阐明了力和运动的关系。特别地，第一定律中所述的“物体不受外力作用时的运动状态”和第二定律中的物体所受外力矢量和为零（合力为零）这一运动状态不同，不能把第一定律当成第二定律在时的特殊情况，因为肯定导出加速度，但的运动只能由第一定律本身彻底阐明其为惯性运动（静止或匀速直线运动）。第一定律是完全独立的基本定律，用其解决的问题，别的任何规律都无法解决，第二、第三定律根本不能取代第一定律。

牛顿第二运动定律引入了惯性质量，全面完整地刻画了物体因受力作用而产生加速度，以及加速度与外力及质量的定量关系，构成了第二定律独立于第一、第三定律的深刻内涵和根本原因。

牛顿第三运动定律不能由第二定律推演得出，第二定律也代替不了第三定律，第一定律更不能取代第三定律；第三定律也是在伽利略先前提出的观点的基础上，牛顿所提出的一条定律。第三定律的正确性要靠大量实践来检验。第三定律其实是用力的语言表达的动量守恒定律，而动量守恒定律是自然界中普遍成立的少量几条基本物理规律之一，动量守恒在任何物理领域中均成立（计及电磁场的动量后，运动电子与电磁场的动量也守恒）。

牛顿运动定律在研究对象上呈递进关系。第一、第二定律只研究单一物体（可以只有一个物体，也可以从众多物体中隔离出一个物体来作为研究对象），解决其不受力或受很多力作用后的运动问题；第三定律扩展了研究对象，至少研究是两个物体之间的相互作用，这种相互作用制约或影响了研究对象或研究对象以外的其它物体的运动。演绎验证演绎验证（牛顿运动定律的验证性实验有多种，本节仅挑选几种重要或典型的实验作为示例。随着现代的实验设施的利用，原来的实验方法将有所改进或补充。

）适用条件适用条件牛顿运动定律基于牛顿力学的基本假设：①空间是绝对的，可以认为是数学上的抽象空间，和空间内的填充物质无关；②时间是连续的、均匀流逝的、无穷无尽的；③时间和空间无关；④时间和运动状态无关；⑤物体的质量和物体的运动状态无关。广义相对论在第一条假设上有突破，狭义相对论突破了第三、四、五条假设。

因此：牛顿运动定律只适用于质点，牛顿运动定律中所指的物体为质点。对质点系，运用牛顿运动定律中的第二定律时一般采用隔离法，或者采用质点系牛顿第二运动定律。

对于作用力非恒力的情形，如时间、速度或位置相关性的力，应用积分等方法，牛顿运动定律亦可使用。

牛顿运动定律只适用于惯性参考系。孤立质点相对它静止或做匀速直线运动的参考系为惯性参考系。

在非惯性参考系中牛顿运动定律不适用，因为不受外力的物体在该参考系中也可能具有加速度，与牛顿第一运动定律相悖；只有在惯性参考系中牛顿运动定律才适用。但通过惯性力的引入可以使牛顿运动定律中的第二定律的表示形式在非惯性系中适用，即使用力学方程求解力学问题，式中为在惯性系中测得的物体受的合力，为在非惯性系中测得的惯性力（为非惯性系统的加速度）。

牛顿运动定律只适用宏观问题。当考察的物体的运动线度可以和该物体的德布罗意波相比拟时，由粒子运动不确定性关系式可知，该物体的动量和位置已不能同时准确获知，故牛顿动力学方程缺少准确的初始条件而无法求解，即经典的描述方法由于粒子运动不确定性关系式已经失效或者需要修改。对于一个作用量接近或小于普朗克常量h=6.发展简史发展简史公元前5世纪，古希腊哲学家德谟克利特（Leucippus，公元前500-公元前440）、伊壁鸠鲁（Epicurus，公元前341-公元前270）认为：“当原子在虚空里被带向前进而没有东西与他们碰撞时，它们一定以相等的速度运动。”这只是猜测或推想的结果。

公元前4世纪，古希腊哲学家亚里士多德（Aristotle，公元前384-公元前322）指出：静止是物体的自然状态，如果没有作用力就没有运动（力是维持物体运动的原因）。该观点遗失了“力能使物体停止运动，也能使物体开始运动”这一关键点，故错误。

但他第一次提出了力与运动间存在关系，为力学发展做出了一定贡献。

6世纪，希腊学者菲洛彭诺斯（J.Philoponus）对亚里士多德的运动学说持批判态度。他认为抛体本身具有某种动力，推动物体前进，直到耗尽才趋于停止，这种看法后来发展为14世纪的“冲力理论”。

14世纪，法国哲学家布里丹（JeanBuridan，1295-1358？）、阿尔伯特、尼克尔·奥里斯姆（NicoleOresme，1320？-1382）等人提出“冲力理论”，他们认为：“推动者在推动一物体运动时，便对它施加某种冲力或某种动力，速度越大，冲力越大，冲力耗尽时，物体停止下来。”这一理论为意大利物理学家伽利略·伽利雷（GalileoGalilei，1564-1642）和英国物理学家艾萨克·牛顿（IsaacNewton，1643-1727）开辟了道路。

17世纪，伽利略在其的著作中多次提出类似于惯性原理的说法。应用领域应用领域牛顿运动定律可求解动力学问题。

物体的受力情况已知求解运动状态，或是运动状态已知求解受力情况，均是对受力情况、加速度、运动状态三个条件（结论）依次转化，两类问题的求解思路相同，基本分为以下三步：①确定研究对象，进行受力分析或运动状态变化情况分析；②建立合适坐标系，列牛顿运动定律方程，适当补列其它方程；③解方程并讨论。

除动力学领域外，牛顿运动定律在物理学其他分支学科上亦有应用。

在流体力学中，牛顿运动定律较功能原理，推导理想流体的气体沿水平方向运动或不计单位体积质量气体的势能时遵循的伯努利方程，

更直观易懂。

对于密度为的小体元，设其受到的体积力密度为，压强梯度力为，则牛顿第二运动定律在流体力学中有特殊表达形式

：。

（式中为梯度算符。

也可能记作，此时表示方向压强的改变。

）另外，基于通过对应力与应变线性定律进行修正而得到的唯象模型得到的非牛顿流体的本构方程，可基于牛顿运动定律建立动能质气扩散输运的动量平衡方程得到，即适用于非牛顿流动的普适动量输运定律，该方式还可阐明一些非牛顿流动现象的本质是来自能质运动过程中的惯性。

在电磁感应中电容负载平行导轨模型

中，接不同负载其上的导体棒将有不同的运动形式。接容抗时对电容器充电，其中导体棒只要有电流，则始终受安培力，可以针对具体物理过程灵活运用牛顿运动定律及同一直线矢量合成

方法确定杆的运动状态。定律影响定律影响牛顿运动定律是力学中重要的定律，是研究经典力学甚至物理学的基础，阐述了经典力学中基本的运动规律。

该定律的适用范围为由牛顿第一运动定律所给出惯性参考系，并使人们对物理问题的研究和物理量的测量有意义。

牛顿运动定律批驳了延续两千多年的亚里士多德等人关于力的概念的错误观点，为确立正确的力的概念奠定了基础。

该定律最早科学地给出了惯性质量、力等经典力学中的几个基本概念的定性定义，为由牛顿运动定律建立起来的质点力学体系原理奠定了概念基础。

牛顿运动定律中的第一定律是其它原理的前提和基础，奠定了经典力学的概念基础，